Proiect 106/2007, cod cncsis 247/2007 director proeict dr. Ligia Munteanu Titlul proiectului caracterizarea bazata pe cunoastere a capacitatii de amortizare a nanocompozitelor din materiale auxetice si nanotuburi de carbon rezumat

Obiectivele proiectului

(se specifica clar obiectivele proiectului in contextul stadiului cunoasterii in domeniu, elementele originale vizate si importanta pentru domeniu, impactul estimat al proiectului; daca este cazul se va face referire la caracterul interdisciplinar)

Obiectivul global al proiectului este avansarea unui concept nou pentru construirea unui nou echipament (nanoindenter) care se bazeaza pe o metoda noua de testare si masurare a proprietatilor elastice si vascoelastice (inclusiv capacitatea de amortizare) ale nanomaterialelor si nanocompozitelor (studiu de caz: nanopanouri acustice pentru reducerea sau suprimarea zgomotului). Cercetarile se bazeaza pe cele mai noi rezultate din literatura de specialitate si din rezultatele recente ale directorului de proiect si ale echipei de cercetare in domeniul nanopanourilor acustice inteligente pe baza materialelor auxetice si a nanotuburilor de carbon. No Obiective Cuantificare 1 O noua cunoastere si concept privind corelatia dintre proprietati si nanostructura materialelor, in detaliu, prin combinatia dintre sinteza, masuratori ale proprietatilor mecanice, examinarea nanostructurii si modelare Rapoarte si publicatii 2 Dezvoltarea capabilitatilor tehnologice ale metodei nelocale Preisach-Tzitzeica ca baza pentru caracterizarea amortizarii prin nanoindentare Rapoarte si publicatii 3 Metoda noua de caracterizare a amortizarii prin nanoindentare Rapoarte si publicatii 4 O ideie noua: auxeticitatea aplicata nanocompozitelor in scopul cresterii capacitatii de amortizare Rapoarte si publicatii 5 Nanotuburi de carbon : materiale noi cu capacitate mare de amortizare. Nanocompozite pe baza de nanotuburi de carbon Rapoarte si publicatii 6 Folii nanocompozite cu incluziuni de materiale auxetice si nanotuburi de carbon Rapoarte si publicatii 7 Un nou concept privind nanoindentarea capabil sa masoare proprietati elastice, vasco-elastice si amortizare Rapoarte si publicatii 8 Integrare si design tehnologic a nanoinstrumentatiei virtuale pentru masurarea proprietatilor elastice si vasco-elastice ale materialor si softul corespunzator Nanoinstrument virtual 9 Studiu de caz: nanopanouri acustice cu materiale auxetice si nanotuburi de carbon integrate Rapoarte si publicatii 10 Validarea analitica si tehnologica a nanoinstrumentului virtual (rezultate studiu de caz, experimente virtuale, interpretari de date, comparatii) Rapoarte . Baze de date 11 Diseminarea rezultatelor Rapoarte 12 Organizare, plan de lucru si managementul proiectului Rapoarte Caracterul inovativ al proiectului consta in depasirea limitarilor tehnicii curente de nanoindentare si a teoriei corespunzatoare prin: ▪ modelarea mecanismelor de amortizare la diferite scari metrice ▪ conceperea unui nou nanoindenter care sa masoare proprietatile elastice si vasco-elastice ale nanocompozitelor. Proiectul are un puternic character de noutate si originalitate. Ne referim aici la : ▪ dezvoltarea unei noi metode nelocale Preisach-Tzitzeica de analiza a capacitatii de amortizare sip e care se bazeaza tehnica noua de nanoindentare propusa ▪ dezvoltarea unui concept nou de nano-instrumentatie care sa fie capabila sa masoare proprietatile elastice si vascoelastice ale materialelor, cu predilectie testarea capacitatii de amortizare la nanoscara si un nou software. Noul concept consta propus in acest proiect consta in construirea unei linii de indentere care se misca cu viteza v, unele din ele actionand pe fiecare parte a suprafatei probei in directii opuse, sau actionand pe o parte, cealalata parte fiind incastrata (fig.6). In acest fel este posibila evaluarea nu numai a proprietatilor elastice dar si a proprietatilor vasco-elastice si a capacitatii de amortizare, libere de efectul de substrat. Se pot considera mai multe indentere in linia de experimentare potrivit cu diderite probleme practice (actuare, sensing, analiza dinamica si masuratori quasi-statice a foliilor multistrat modulate (fig.8), ceramica armata cu nanotuburi de carbon, materiale auxetice etc.) Rezultatul asteptat este conceperea si proiectarea virtuala a unui nou nanoindenter de mare interes pentru IMM-uri, care sa marcheze cea de a doua generatie de sisteme si instrumente de nanoindentare, operand in regim nano- si microduritate si extinzand capabilitatile de testare a primei generatii de instrumente. Fig. 8. Folii multistrat modulate studiate de echipa prezentului proiect. Verificarea Noutatii Conceptelor si a Inovatiilor Stiintifice ale acestui proiect NU exista niciun patent sau brevet care sa utilizeze metoda, tehnica de indentare si indenterul propus spre construire. Metoda noua Preisach-Tzitzeica pe care am propus-o aici pentru a modela nanoindentarea imbunatateste metodele existente si le extinde la alte categorii de materiale (compozite nanostructurate) fiind rezultatul unor cercetari ale unor membrii ale echipei prezente: V. Chiroiu, P. Stiuca, L. Munteanu, St. Donescu, Introduction to nanomechanics, Editura Academiei, Bucharest 2005. D. Dumitriu, V. Chiroiu, V., On the dual equations in contact elasticity, Rev. Roum. Sci. Tech. - Méc. Appl., 2006. D. Dumitriu, V. Chiroiu, J. Onisoru, J., On the elastic contact problem for a flat punch, 4^th International Colloquium Mathematics in Engineering and Numerical Physics, 6-8 Oct. 2006, Bucharest, 2006. D.Dumitriu, L. Munteanu, V. Chiroiu, L. Solomon, On the nonlocal theory of nanoindentation, The 4th Simposium Mecatronics, Microtechnologies and New Materials, Revista Romana Mecanica Fina, Optica si Mecatronica, nr. 31, 2006, pp.219–224. M.Scalerandi, P.P.Delsanto, V.Agostini, K.Van Den Abeele, P.A.Johnson. Local interaction simulation approach to modeling nonclassical, nonlinear behavior in solids, Journ.Ac.Soc.Am.113, 3049-3059, 2003 Caracterizarea amortizarii prin modulii generalizati storage si loss (materiale inelastice si vasco-elastice) poate fi partial obtinuta prin utilizarea nanoindenterului DMA (MTS). Vom compara rezultatele obtinte prin acest proiect cu rezultatele obtinute prin DMA. Vom demonstra ca solutia adoptaa in acest proiect conduce la o caracterizare adecvata si completa pentru orice tip de material cu amortizare redusa sau mare. De exemplu, prin aceasta metoda este posibil sa facem disticntia dintre ceramice granulate si matricea de metal intr-un compozit pudra armata cu ceramica. Rezultatele obtinute sunt de foarte mare importanta deoarece ele pot fi utilizate pentru a schimba dupa cerere propietatile de amortizare a compozitelor cu matrice metalica care au mari aplicatii in ingineria aerospatiala, etc. Vom demonstra ca proprietatile de amortizare a sistemelor auxetice compuse din materiale diferite, cu o noua arhitectura de proprietati, nu pot fi evaluate utilizand DMA. Aceasta deoarece materialele vu coeficient Poisson negativ (spume auxetice, polimeri, compozite, metale, ceramice, structuri honeycom, spume metalice reticulate)nu pot fi modelate prin teoria care sta la baza DMA sau a altor masini de testare. Testarea amortizarii se face inca cu masini vechi la sarcini mari si conform specificatiilor ASTM. Insa testarea amortizarii necesita instrumente analitice avansate care sa lucreze la nivel nanoscopic, si care sa ridice productivitatea laboratoarelor de testare calitativa. Vorbim de doua cerinte obligatorii, i.e. testarea la nanonivel si testarea prin nanoindentare. Plan de lucru general Achizitionarea unei intelegeri detaliate si fine a capacitatii de amortizare a materialelor nanostructurate si a unor noi metode teoretice si computationale care sa conduca catre dezvoltarea capabilitatilor tehnologice in instrumentatia prin nanoindentare, reprezinta baza planului de lucru (PL). Cheia PLs consta in dezvoltarea metodelor si instrumentatiei pentru investigarea proprietatilor elastice si vasco-elastice ale materialelor nanostructurate. De exemplu, nanocompozitele sunt materiale pe baza de polimeri care au semnificative imbunatatiri ale proprietatilor. Structurile multifazice si multistratificate se pot reproduce adecvat ex situ in in specimene macroscopice. Tehnicile conventionale de caracterizare se refera la intinderea uniaxiala sau compresiune. Nanoindentarea asigura din acest punct de vedere, un mod elegant si simplu de masurare a proprietatilor mecanice ale fiecarei faze sau strat sau a compozitului ca un intreg. Aceasta este o cerinta critica pentru modelarea mecanica la scara multipla in stare sa prezica proprietatile mecanice si amortizarea pentru o compozitie sau microstructuta data. ▪ Obiectiv 1 creaza o noua cunoastere si concept privind corelatia dintre proprietati si nanostructura materialelor, in detaliu, prin combinatia dintre sinteza, masuratori ale proprietatilor mecanice, examinarea nanostructurii si modelare. Se stabilesc relatii de interdependenta dintre structura si proprietati ▪ Obiectiv 2 dezvolta capabilitatiler tehnologice ale metodei nelocale Preisach-Tzitzeica ca baza pentru caracterizarea amortizarii prin nanoindentare. Metoda clasica Preisach se combina cu teoria afina a pseudosuprafetele cu curbura negative a marelui geometru roman Tzitzeica pentru a construi o functie din care sa rezulte capacitatea de amortizare a structurii in raport cu niste parametrii de control ▪ Obiectiv 3 asigura dezvoltarea unei noi metode de caracterizare a amortizarii prin nanoindentare. Aici se discuta conceptul nou al instrumentatieie de nanoindentare ptin utilizarea unei linii de nanoindentere cdare se nisca cu aceeasi viteza oe una sau ambele suprafete ale probei (folii) in aceeasi directie sau in directii opuse ▪ Obiectiv 4 avanseaza o ideie noua: auxeticitatea aplicata nanocompozitelor in scopul cresterii capacitatii de amortizare. Se prezinta o teorie unificata de modelare a comportarii dinamice a materialelor auxetice si de evaluare a proprietatilor lor ▪ Obiectiv 5 este dedicat nanotuburilor de carbon : materiale noi cu capacitate mare de amortizare. Se studiaza comportamentul dinamic al nanotuburilor de carbon de diferite chiralitati (armchair, zig zag, chiral) la solicitari de intindere, compresiune, incovoiere, torsiune. Se studiaza o clasa de nanocompozite pe baza de nanotuburi de carbon ▪ Obiectiv 6 studiaza o categorie de folii nanocompozite cu incluziuni de materiale auxetice si nanotuburi de carbon. Se avanseaza o teorie unificata de modelare a acestor compozite ▪ Obiectiv 7 prezinta un nou concept privind nanoindentarea capabil sa masoare proprietati elastice, vasco-elastice si amortizarea. Acest concept este construit pe baza teoriei dezvoltate in obiectele precedente ▪ Obiectiv 8 contine integrarea si designul tehnologic al nanoinstrumentatiei virtuale pentru masurarea proprietatilor elastice si vasco-elastice ale materialor si softul corespunzator ▪ Obiectiv 9 este dedicat unui studiu de caz de mare importanta practica si anume: nanopanouri acustice cu materiale auxetice si nanotuburi de carbon integrate. Se demonstreaza teoretic si prin simulari marea capacitate a acestor panouri de a reduce sau suprima zgomotul ▪ Obiectiv 10 are ca tema validarea analitica si tehnologica a nanoinstrumentului virtual (rezultate studiu de caz, experimente virtuale, interpretari de date, comparatii) ▪ Obiectiv 11 are drept tinta diseminarea rezultatelor ▪ Obiectiv 12 contine organizarea, planul de lucru si managementul proiectului Toti membrii echipei sunt implicate la realizarea acestor obiective cu sarcini diferite complementare- metodele/ modalitatile de conducere, coordonare si comunicare pentru realizarea proiectului, in acord cu cerintele Planului de realizare a proiectului, Proiectul are o organizare menita sa faciliteze conducerea sa si legaturile dintre membrii echipei. Activitatile vor fi coordonate de catre directorul de proiect, in legatura permanenta cu toti membrii echipei. Membrii echipei vor fi in comunicare permanenta, asa cum reiese din schema de mai jos. Activitatile vor fi raportate detaliat la fiecare etapa a proiectului. Atat coordonatorul cat si partenerii au o bogata experienta atat in gestionarea si realizarea granturilor de cercetare, nationale si internationale.

10.3. Metodologia cercetarii

1. Se considera rezultatele din literatura de specialitate de top (in domeniu), precum si rezultatele anterioare obtinute de directorul de proiect si echipa de cercetare (privind simularea controlului inteligent al amortizarii in depozite nanostructurate (foi de grafit, nanotuburi de carbon, nanogrinzi) si programe de simulare a nanomecanismelor fundamentale de amortizare in rezonatori nanoelectromecanici), si se analizeaza aceste rezultate calitativ si cantitativ. Pe scurt, in cadrul rezultatelor anterioare s-a realizat simularea la nivel molecular a producerii unei folii stratificate periodice Cu-Ni, 66% Cu. Aceasta folie manifesta proprietati situate in afara limitelor ingineresti obtinute prin simpla regula a mixturii. De exemplu, folia raporteaza un modul de elasticitate Y[100] de 18.9 TPa (Y[100] pentru un aliaj omogen Cu-Ni cu aceeasi compozitie este 0.14 TPa) si o capacitate de disipare a energiei de 75 ori mai mare decat a structurii omogene. De asemenea, nanostructurile feromagnetice pot avea proprietati extrem de diferite fata de proprietatile materialelor constituente, iar capacitatea de amortizare poate fi imbunatatita substantial prin control la scara nanometrica. In lucrare s-a realizat: Teoria si modelarea fenomenelor de disipare a energiei la dimensiune mica (<1 micron), incluzand aspecte mecanice, electrice, termice, magnetice, si optice. Se demonstreaza ca amortizarea nu poate fi exprimata printr-un singur termen fenomenologic in ecuatiile de evolutie, ea reprezentand efectul mai multor mecanisme de disipare: Simularea fenomenelor de disipare a energiei la scara nanometrica si elaborarea de strategii privind controlul inteligent al fenomenelor de amortizare atat la scara nanometrica (1-100 nm) cat si la scara mezometrica (100-1000 nm). Simularea producerii unui depozit prin procesul depunerii atom cu atom (depunere fizica din vapori) de grosimea unui singur strat (0.2 nm) sau a sute de straturi (>100 nm). Astfel, mai mult de 75 din cele 92 elemente naturale pot fi incorporate in structura sub forma elementara, componente sau aliaje. Simularea controlului inteligent al disiparii energiei intr-un depozit ce contine pana la 225.000 straturi metalice vascoelastice (folii de pana la 500μ grosime ). Realizarea de aplicatii si verificarea modului de functionare a sistemului Ca urmare a modelarii complexe a fenomenului de amortizare, pe langa reducerea amplitudinilor marimilor fizice de control, a fost luat in consideratie si fenomenul relaxarii tensiunilor. Mecanismul de relaxare cu comportament vascoelastic, poate fi explicat prin variatia campului de tensiune in material. Consideram doua stari ale unui sistem mecanic, caracterizate prin doua valori diferite ale energiei, separate printr-un potential bariera sau energie de activare, de amplitudine (Fig. 1). In figura, este coeficientul de expansiune termica si , temperatura absoluta. Inainte de aplicarea fortei exterioare, sistemul se afla in starea sa de energie minima. Prin aplicarea unei forte exterioare, energia sistemului creste. Daca sistemul poate depasi potentialul bariera, atunci este posibila tranzitia de la prima stare la starea a doua, si sistemul se relaxeaza deoarece diferenta dintre energiile celor doua stari se pierde. Pentru a descrie matematic fenomenul de relaxare a tensiunilor utilizam modelele reologice. S-au analizat cateva modele modele reologice, si anume un element elastic Hooke care descrie comportarea elastica, un element Newton pentru a descrie comportarea vascoasa, un element St. Venant pentru descrierea amortizarii coulombiene, si un element Zener pentru descrierea relaxarii tensiunilor. Elementul Zener consta dintr-un element Hooke legat in paralel cu un element Newton, si un element aditional Hooke legat in serie. Fig. 1. Influenta unei forte exterioare asupra energiei unui sistem mecanic. In cadrul proiectului s-au realizat programe de simulare a controlului amortizarii in structuri. S-au studiat cateva probleme de control inteligent al amortizarii : cu aplicatii la reducerea vibratiilor la masini unelte si aeronautica dintre care: 1. Mecanism de amortizare cu straturi vascoelastice (Fig.2) Fig.2. Mecanism de a mortizare cu straturi vascoelastice. 2. Mecanism de actiune cu elemente PZT la intindere si alunecare (Fig.3). Fig. 3. Mecanisme de actiune PZT la intindere si alunecare. 3. Bara stratificata alcatuita din materiale vascoelastice (Fig. 4). Fig. 4. Bara stratificata din materiale vascoelastice 4. Placa sandwich alcatuita din straturi vascoelastice supusa la solicitari complexe Fig.5 sunt reprezentate cateva moduri de deformatie controlate. Fig.5. Primele trei moduri controlate ale placii sandwich Concluziile acestor analize vor da strategia dezvoltarii conceptelor si ideilor novatoare din acest grant/ 2. Metodologia cercetarii proprie acestui grant consta in dezvoltarea unor idei noi, care se bazeaza pe rezultatele directorului de grant si a echipei de cercetare din ultimii ani si urmareste planul de lucru descris mai sus. Modelarea la scara nanometrica este un domeniu nou de cercetare cu un potential puternic de simulare pe computer. Nanostiinta computationala ajuta la intelegerea unor subiecte stiintifice importante cum ar fi nanocontactele si indentarea. Scopul proiectului este modelarea nanocontactelor si a indentarii cu ajutorul unor noi teorii cuplate atomistic-continue. Indentarea este insotita de o serie de fenomene (a) avalansa discontinuitatilor energiei de contact, (b) histerezis pronuntat la ciclii incarcare-descarcare, (c) difuzie atomica locala, (d) fluaj, (e) generarea si multiplicarea dislocatiilor, (f) forfecarea omogena a planelor atomice, (g) curgere plastica, (h) relaxare, (i) formarea gradientilor de temperatura.. Aceste fenomene au fost puse in evidenta experimental dar nu au fost explicate pana in prezent nici cu teoriile existente si nici experimental. Scopul nostru este de a intelege si explica aceste fenomene. Obiectivele constau in dezvoltarea de modele noi ale suprafetelor in contact la scara macroscopica, mezoscopica si nanoscopica, modelarea nanoscopica a contactului si a indentarii incluzand fenomenele mentionate mai sus, simularea unor experiente virtuale de indentare si comparatii cu rezultatele experientelor reale. Ne asteptam ca rezultatele sa fie calitativ si cantitativ in acord cu rezultatele experientelor gasite in literatura, acolo unde exista. Odata ce simularile numerice demonstreaza siguranta acestor metode noi, simularile pot fi privite ca experiente realist simulate pe computer. Ideia este ca in viitor sa putem utiliza simularile la scara atomica pentru a descoperi noi tipuri de experiente, de exemplu pentru studiul nanocontactelor de tip ceramica-nanotuburi de carbon. Vom intelege in ce mod teoriile cuplate atomistice-mezoscopice-macroscopice pot explica plauzibil mecanismele complexe care insotesc indentarea, si pot fi un instrument pretios la interpretarea datelor si la proiectarea unor noi experiente. Cheia metodologiei si a planului de lucru consta in dezvoltarea metodelor si instrumentatiei pentru investigarea proprietatilor elastice si vasco-elastice ale materialelor nanostructurate. Obiectivele descrise in planul de lucru creaza o noua cunoastere si concepte privind : corelatia dintre proprietati si nanostructura materialelor, in detaliu, prin combinatia dintre sinteza, masuratori ale proprietatilor mecanice, examinarea nanostructurii si modelare. Se stabilesc relatii de interdependenta dintre structura si proprietati, dezvoltarea capabilitatiler tehnologice ale metodei nelocale Preisach-Tzitzeica ca baza pentru caracterizarea amortizarii prin nanoindentare. Metoda clasica Preisach se combina cu teoria afina a pseudosuprafetele cu curbura negative a marelui geometru roman Tzitzeica pentru a construi o functie din care sa rezulte capacitatea de amortizare a structurii in raport cu niste parametrii de control, asigurarea dezvoltarii unei noi metode de caracterizare a amortizarii prin nanoindentare. Aici se discuta conceptul nou al instrumentatieie de nanoindentare ptin utilizarea unei linii de nanoindentere cdare se nisca cu aceeasi viteza oe una sau ambele suprafete ale probei (folii) in aceeasi directie sau in directii opuse, avansarea unei idei noi: auxeticitatea aplicata nanocompozitelor in scopul cresterii capacitatii de amortizare. Se prezinta o teorie unificata de modelare a comportarii dinamice a materialelor auxetice si de evaluare a proprietatilor lor, studiul nanotuburilor de carbon : materiale noi cu capacitate mare de amortizare. Se studiaza comportamentul dinamic al nanotuburilor de carbon de diferite chiralitati (armchair, zig zag, chiral) la solicitari de intindere, compresiune, incovoiere, torsiune. Se studiaza o clasa de nanocompozite pe baza de nanotuburi de carbon, studiul unei categorii de folii nanocompozite cu incluziuni de materiale auxetice si nanotuburi de carbon. Se avanseaza o teorie unificata de modelare a acestor compozite, prezintarea unui nou concept privind nanoindentarea capabil sa masoare proprietati elastice, vasco-elastice si amortizarea. Acest concept este construit pe baza teoriei dezvoltate in obiectele precedente, integrarea si designul tehnologic al nanoinstrumentatiei virtuale pentru masurarea proprietatilor elastice si vasco-elastice ale materialor si softul corespunzator, studiu de caz de mare importanta practica si anume: nanopanouri acustice cu materiale auxetice si nanotuburi de carbon integrate, se demonstreaza teoretic si prin simulari marea capacitate a acestor panouri de a reduce sau suprima zgomotul, validarea analitica si tehnologica a nanoinstrumentului virtual (rezultate studiu de caz, experimente virtuale, interpretari de date, comparatii), diseminarea rezultatelor, organizarea, planul de lucru si managementul proiectului. Toti membrii echipei sunt implicate la realizarea acestor obiective cu sarcini diferite complementare- metodele, modalitatile de conducere, coordonare si comunicare pentru realizarea proiectului, in acord cu cerintele Planului de realizare a proiectului.